Как устроен гальванический элемент

Все о гальваническом элементе

Впервые в мире гальванический элемент был разработан Луиджи Гальвани. Об его истории читайте в этой статье. По сути это временный источник электрического тока, который формируется за счет протекания химической реакции. Поток электронов формируется за счет взаимодействия между двумя разноименными металлами. В результате этого химическая энергия преобразуется в электрическую, которую уже можно использовать в повседневной жизни.

Концентрационный гальванический элемент – это источник тока в состав которого входит 2 однотипных металлических электродов помещенных в смесь солей этого металла в различных концентрациях.

Кроме Гальвани созданием эффективной батареи занимался Даниэль Якоби. Он немного видоизменил свой источник энергии. В его состав входит пластина, выполненная из меди, помещенная в CuSO4 и пластина из цинка погруженная в ZnSO4. Чтобы не дать им воздействовать прямо друг на друга между ними установлена пористая стенка. Ниже представлена схема гальванического элемента Даниэля Якоби.

Цинк и медь обладают разной активностью и поэтому их заряд по величине будет различным. В итоге уровень электродов также не однозначен. Это позволяет им перемещаться и производить электрический или гальванический ток. Он начинает протекать, когда любой человек или изобретатель тока хранящего аппарата присоединяет нагрузку. В качестве нее может быть лампочка, приемник, компьютерная мышка и другие электрические устройства.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко. Подробнее о нем читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

1. Стрежня из угля.
2. Двух разнородных металлов.
3. Электролита.
4. Смола или пластик.
5. Изолятора.

Как видно из этой схемы в составе строения гальванического элемента имеется отрицательный и положительный электрод. Они могут быть выполнены из меди, цинка и других металлов. Имеют название по типу медно цинковые. Иногда их называют сухие батарейки.

Обозначение гальванического элемента на схеме выполнено в виде двух вертикальных прямых приближенных друг к другу на небольшом расстоянии. Одна из которых будет меньше. По краям возле каждой такой линии имеются знаки, обозначающие полярность. У длинной линии ставят плюс, а у короткой минус. Рядом может располагаться вольтаж. Это означает что схема в которой используется батарейка работает только от этого напряжения.

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение. Подробнее про термодинамику гальванического элемента и образование гальванического электричества читайте здесь.

Ответы на часто задаваемые вопросы

Гальванический/ая	Разъяснение
Батарея	Источник энергии работающий за счет процессов, происходящих в ограниченном миниатюрном пространстве. В частности, энергия появляется, когда идет химическая реакция.
Элемент Вольта или Вольтов столб	Это энергетический элемент впервые созданный ученым по фамилии Вольт.
Процесс	Взаимодействие между химическими элементами в результате которого образуется электрический ток.
Разряд	Это завершение протекания химической реакции. То есть взаимодействия между веществами не будет.Гальванический разряд есть в игре Warframe. По сути это модификация, которая находится в большом дефиците. Ее используют для холодного оружия. Полярность V2.
Гальванический контакт	Это контакт между электродами и раствором.
Эффект	Появление разности между двумя контактами из 2-х типов металлов. Величина зависит от температуры и химии проводников. По сути это первый закон Вольта.
Соединение/связь/цепь	Объединение 2-х и более участков электрической цепи с источником тока.
Гальванический заряд	Наполнение батареи энергией.

Гальваника – это протекание химических процессов с использование электрического тока. В ходе реакция сокращается количество растворенных катионов металла до такой степени что в конечном итоге они создают единое покрытие на металлическом электроде. В итоге предмет получается более прочным, исчезают небольшие вмятины и его вид становится более привлекательным.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Тип	Напряжение	Основные плюсы
Литиевые	3 V	Большая емкость, высокая сила тока.
Солевые батарейки или угольно — цинковые	1.5 в	Самые дешевые.
Никельоксигидроксильные NiOOH	1.6 вольт	Повышенный ток. Большая емкость.
Щелочные или алкалиновые	1.6 V	Большая сила тока. Хороший объем.

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

1. Часы.
2. Пульты.
3. Фонарики.
4. Медицинское оборудование.
5. Ноутбуки.
6. Игрушки.
7. Брелки.
8. Телефоны.
9. Лазерные указки.
10. Калькуляторы.

И им подобные окружающие нас вещи.

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник тока можно сделать и своими руками. Для этого нам потребуется следующий инвентарь:

1. Пластиковый стакан.
2. Электролит. В качестве него можно взять соленый раствор, газировку или лимонную кислоту, разведенную в воде.
3. Пластинки двух разных металлов. К примеру алюминий и медь.
4. Провода

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и наливаем в него электролит. Не следует наполнять стакан до самых краев. Лучше на 1-2 сантиметра не долить. К металлическим пластинам прикрепите проводники. Далее установите на края нашей емкости пластины из меди и алюминия. Они должны располагаться параллельно друг к другу. Когда все готова можно замерить с помощью вольтметра напряжение.

Подключите прибор и прикоснитесь щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их пока на дисплее не высветится напряжение. Обычно оно составляет 0.5-0.7 вольт. Такие цифры показываются в зависимости от электролита. Точнее используемого вещества в его качестве.

СХЕМА РАБОТЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ

Фундаментальные законы физики и химии, и в том числе, закон сохранения массы и энергии вещества, находят свое подтверждение на уровне перемещения мельчайших частиц – электронов, массами которых в химии обычно пренебрегают.

Речь идет об окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переходом электронов от одних веществ (восстановителей) к другим (окислителям). Причем вещества могут обмениваться электронами, непосредственно соприкасаясь друг с другом.

Однако существует множество случаев, когда прямого контакта веществ не происходит, а процесс окисления-восстановления все равно идет. А если он идет самопроизвольно, то при этом еще и энергия выделяется. Ее человек с успехом использует для выполнения электрической работы.

Реализуется такая возможность в гальваническом элементе, схема работы которого, а также расчеты, связанные с ним, рассматриваются в данной статье.

Простейший гальванический элемент: схема работы

Гальванический элемент – это прибор, позволяющий при посредстве химической реакции получить электрическую энергию.

Пластинка металла и вода: простые взаимоотношения

Давайте сначала разберемся, что происходит с пластинкой металла, если опустить ее в воду?

Процесс схож с диссоциацией соли: диполи воды ориентируются к ионам металла и извлекают их из пластины. Но почему же тогда не происходит растворения самой пластины в воде? Все дело в строении кристаллической решетки.

Кристаллы соли состоят из катионов и анионов, поэтому диполями воды извлекаются из решетки и те, и другие.

У металла же кристаллическая решетка представлена атомами-ионами. Внутри нее всегда происходит превращение атомов в катионы за счет отщепления валентных электронов и обратный процесс: катионы снова превращаются в атомы, присоединяя электроны. Электроны являются общими для всех ионов и атомов, присутствующих в кристаллической решетке металла.

Процессы внутри металлической кристаллической решетки в обобщенном виде можно показать так:

В итоге, вода, окружающая пластинку – это уже не собственно вода, а раствор, составленный из молекул воды и перешедших в нее из пластины ионов металла. На пластине же возникает избыток электронов, которые скапливаются у ее поверхности, так как сюда притягиваются гидратированные катионы металла.

Возникает так называемый двойной электрический слой.

Бесконечно катионы металла с пластины в раствор уходить не будут, поскольку существует и обратный процесс: переход катионов из раствора на пластину. И он будет идти до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие:

На границе раздела «металлическая пластина – раствор» возникает разность потенциала, которая называется равновесным электродным потенциалом металла.

Пластинка металла и раствор его соли: к чему приводит такое соседство

А что произойдет, если металлическую пластинку поместить не в воду, а в раствор соли этого же металла, например, цинковую пластинку Zn в раствор сульфата цинка ZnSO₄?

В растворе сульфата цинка уже присутствуют катионы цинка Zn 2+ . Таким образом, при погружении в него цинковой пластины возникнет избыточное количество этих катионов, и уже известное нам равновесие (см. выше) сместится влево. Все это приведет к тому, что отрицательный заряд на пластинке будет иметь меньшее значение, так как меньшее количество катионов с нее будет переходить в раствор. Как результат – более быстрое наступление равновесия и менее значительный скачок потенциала.

Потенциал металла в растворе его же соли в момент равновесия записывают так:

Металл, погруженный в раствор электролита, называют электродом, обратимым относительно катиона.

Цинк – достаточно активный металл. А если речь будет идти о медной пластинке Cu, погруженной в раствор, например, сульфата меди (II) CuSO₄?

Медь – металл малоактивный. Двойной электрический слой, конечно же, появится и в этом случае. Но! Катионы из пластинки в раствор переходить не будут. Наоборот, катионы меди (II) Cu 2+ из раствора соли начнут встраиваться в кристаллическую решетку пластинки и создавать положительный заряд на ее поверхности. Сюда же подойдут сульфат-анионы SO₄ 2- и создадут вокруг нее отрицательный заряд. То есть распределение зарядов в данном случае будет совершенно противоположным, чем на цинковой пластинке.

Это общая закономерность: пластинки из малоактивных металлов при погружении в раствор их солей всегда заряжаются положительно.

Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

Известно, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов).

На активном металле скапливаются электроны, а поверхность малоактивного металла, заряжается положительно. Если соединить проводником (например, металлической проволокой) оба металла, то электроны с одного перейдут на другой, а двойной электрический слой перестанет существовать. Это будет означать возникновение электрического тока.

Причем, ток возникает за счет окислительно-восстановительного процесса: активный металл окисляется (так как отдает электроны малоактивному), а малоактивный металл восстанавливается (так как принимает электроны от активного). Металлы друг с другом не соприкасаются, а взаимодействуют через посредника: внешнего проводника. Данная схема и есть схема гальванического элемента. Именно так устроен и работает гальванический элемент Даниэля-Якоби:

В схеме элемента показан «солевой мостик». Он представляет собой трубку, в которой присутствует электролит, не способный взаимодействовать ни с электродами (катодом или анодом), ни с электролитами в пространствах у электродов. Например, это может быть раствор сульфата натрия Na₂SO₄. Подобный мостик нужен для того, чтобы уравновешивать (нейтрализовать) заряды, образующиеся в растворах гальванического элемента.

Таким образом, возникшая электрическая цепь замыкается: анод → проводник с гальванометром → катод → раствор в катодном пространстве → «солевой мостик» → раствор в анодном пространстве → анод.

Анод – электрод, на котором происходит окисление (цинковая пластинка):

Электроны цинка Zn отправляются по внешней цепи (то есть по проводнику) на катод.

Катод – электрод, на котором происходит восстановление (медная пластинка):

Катионы меди Cu 2+ , пришедшие на пластинку из раствора сульфата меди (II), получают электроны цинкового анода.

В общем виде весь процесс окисления-восстановления в гальваническом элементе выглядит так:

Для любого гальванического элемента можно составить запись в виде схемы. Например, для приведенного элемента Даниэля-Якоби она будет выглядеть так:

3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);

4 – электролит в анодном пространстве;

5 – электролит в катодном пространстве;

6 – граница между растворами (солевой мостик).

Или сокращенно:

Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения

По вопросу, рассмотренному в данной статье, возможны два основных вида задач.

Задача 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:

Решение:

Задача 2. Напишите электродные и суммарные уравнения реакций, протекающих в гальваническом элементе:

Решение:

Итак, разобрав принцип работы гальванического элемента, мы научились записывать схему его работы и определять основные процессы на электродах.

Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Практически каждый из нас держал в руках гальванический элемент, называя его батарейкой. В этой статье мы поговорим об этом химическом источнике тока, изобретенном в далеком 18 веке, выясним, как он работает, и соберем простейшую «батарейку» своими руками.

Что это такое

Гальванический элемент (ГЭ) – это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Иными словами, это химический источник электрического тока. Подключаем к его электродам электрическую цепь, и по ней начинает течь ток до тех пор, пока не израсходуются все реагенты, участвующие в химической реакции. После этого конструкция восстановлению не подлежит и выбрасывается. Обычно в этом случае мы говорим, что батарейка «села».

В процессе развития гальванический элемент претерпел множество изменений. У Луиджи Гальвани, к примеру, электродами служили медные крючки и стальной скальпель, а электролитом – жидкость мышечных тканей лапки лягушки. В элементах Даниэля-Якоби для электродов использовались цинк и медь, а электролитом служили растворы сульфата меди и сульфата цинка, разделенные ионопроницаемой мембраной. У Василия Петрова электролитом был нашатырь.

Несмотря на такие большие различия, все эти элементы работали на одном и том же принципе – взаимодействии двух металлов в электролите. Сегодня мы не будем копаться в истории и разбирать старые идеи, а поговорим о современных батарейках, праотцом которых считается Жорж Лекланше.

Из чего состоит

Современная батарейка (а это и есть доработанный элемент Лекланше) состоит из цинкового стакана – анода, в котором размещен графитовый стержень – катод. Последний покрыт слоем смеси диоксида марганца с порошкообразным графитом. Остальное пространство стакана заполнено желеобразным электролитом.

На рисунке цифрами обозначены:

• 1 – металлический колпачок;
• 2 – графитовый стержень;
• 3 – цинковый стакан (анод);
• 4 – смесь диоксида марганца с графитом (катод);
• 5 – электролит;
• 6 – металлическое дно.

Катодом служит диоксид марганца в смеси с графитом (отсюда и название – марганцево-цинковый элемент). Графитовый стержень является лишь токоотводом.

Так выглядят внутренности реальной марганцево-цинковой батарейки

Несколько слов об электролите. В солевых батарейках его роль играет раствор хлорида аммония (NH₄Cl), загущенный крахмалом до пастообразного состояния. Именно из-за этого элемент называют сухим – в нем ничего не плещется.

В щелочных (алкалиновых) батарейках, изобретенных Льюисом Урри, в качестве электролита используется щелочь – гидроксид калия (КОН). Что касается конструкции, она та же, только анод представляет собой не цинковый цельный стакан, а порошок.

Упомянем литиевые батарейки (не путать с аккумуляторами!). Во всех них рабочим элементом является литий, входящий в состав анода, отсюда и название. Остальные анодные присадки, материал катода и электролит могут быть разными. От них зависит и электрическая емкость, и, что самое важное, ЭДС, которая колеблется от 1.5 до 3.7 В.

Как работает

Принцип функционирования марганцево-цинкового гальванического элемента сложный. Но если вы дружите с химией, то вкратце для солевой батарейки все выглядит так:

При замыкании внешней цепи электроны по ней с анода (цинк) устремляются на катод (смесь графита с диоксидом марганца):

Здесь электроны расходуются на восстановление H₃O + -ионов:

Эти ионы образуются за счет протолиза NH₄ + -ионов электролита:

При этом выделяется газообразный водород, который создает вокруг графитового катода газовую диэлектрическую прослойку, нарушающую работу элемента. Этот эффект называется поляризацией. Для подавления поляризации используется диоксид марганца, который называют деполяризатором. Благодаря ему H₃O + -ионы восстанавливаются с образованием не водорода, а воды:

При этом электролит диссоциирует и частично протолизируется:

Образующиеся на аноде ионы Zn 2+ переходят в раствор с образованием нерастворимой соли:

Общая химическая реакция, происходящая при разрядке солевой батарейки, выглядит следующим образом:

В процессе разрядки элемента цинковый электрод, являющийся одновременно стаканом, постепенно разрушается, поэтому его делают (должны делать) с запасом по толщине.

Что касается литиевых батареек, то химических процессов в них такое же множество, как и комбинаций материалов, из которых они изготовлены. Для примера приведем общую химическую реакцию в литиевой батарейке с диоксидом марганца.

Классификация

Как мы уже выяснили, хотя у гальванических элементов сходный принцип работы, они могут иметь в составе самые разные материалы и вещества. Их делят на 3 основных типа:

• солевые;
• щелочные;
• литиевые.

Солевые.
Самый бюджетный тип батареек с посредственными характеристиками. Из особенностей таких элементов можно выделить:

• ЭДС – 1.5 В;
• малые рабочие токи;
• малая электрическая емкость;
• непродолжительный срок службы;
• невысокая стоимость.

Солевые батарейки при длительном хранении в полуразряженном состоянии или при полной разрядке, как правило, «текут», заливая батарейный отсек электролитом.

Щелочные (алкалиновые).
Здесь характеристики намного лучше, но заплатить придется дороже:

• ЭДС – 1.55 В;
• большие рабочие токи;
• хорошая электрическая емкость;
• длительный срок службы;
• не «текут» даже при полной разрядке;
• высокая стоимость.

Литиевые.
Самый, пожалуй, прогрессивный на сегодняшний день тип:

• ЭДС – от 1.5 до 3.7 в зависимости от материалов;
• большая электрическая емкость;
• большие разрядные токи;
• длительный (до 5 лет) срок службы;
• не «текут»;
• есть очень компактные модели;
• высокая стоимость.

Все вышеперечисленные гальванические элементы выпускаются разных типоразмеров. Солевые и щелочные типы, как правило (но не обязательно), имеют цилиндрическую форму. Литиевые кроме цилиндров могут выглядеть как маленькие диски, таблетки, параллелепипеды и пр.

Как составить схему гальванического элемента — задачи по химии

Качественно и полностью рассчитать гальванический элемент с требуемыми параметрами – задача сложная. Но подобрать материал электродов, тип электролита и составить схему сможет любой знакомый с химией. Для примера решим несколько подобных задач.

Задача 1. Вычислить значение ЭДС гальванического элемента с электродами из магния и меди. Электролит – растворы сульфата меди и сульфата цинка. Составить схему элемента, написать химические процессы на электродах и общие процессы, генерирующие энергию.

Решение. По таблице стандартных электродных потенциалов находим потенциалы меди и магния:

Поскольку магний имеет более низкий потенциал, он является анодом. Составляем схему:

Описываем процессы на электродах и общие, генерирующие энергию:

Вычисляем стандартную ЭДС:

Задача 2. Дано уравнение токообразующей реакции: Ni + СuSO4 = NiSO4 + Cu. Напишите уравнение процессов на электродах, рассчитайте ЭДС.

Решение. При помощи таблицы электродных потенциалов найдем потенциалы никеля меди:

Потенциал никеля ниже, следовательно, он является анодом. Составляем уравнения:

Составляем схему гальванического элемента:

Вычисляем стандартную ЭДС реакции:

Как сделать ГЭ своими руками

Напоследок практикум. Попробуем самостоятельно собрать гальванический элемент, который можно использовать на практике. Остановимся на схеме Даниэля-Якоби. Его медно-цинковый элемент не только прост в повторении, но и не требует дефицитных компонентов. Тем не менее у этого источника питания неплохие характеристики:

• Ток короткого замыкания – 0.5 А.
• Электрическая емкость – 25-30 А*ч.
• Габариты – стеклянная банка емкостью 0.33 л.

Конструктивно наша батарейка будет иметь следующий вид: стеклянная банка, на дно которой насыпан медный купорос. В банку опущены электроды в виде цилиндров. Анод – алюминий, катод – медь. Между электродами установлена ионопроницаемая диафрагма. Сама банка заполнена двумя электролитами – раствором поваренной соли и раствором медного купороса.

Алгоритм изготовления ГЭ следующий:

1. Из тонкого медного листа изготавливается цилиндр по диаметру горлышка банки и высотой чуть ниже нее. На цилиндре необходимо предусмотреть ушки, которыми он будет подвешиваться к горлышку банки. Это катод – положительный вывод элемента.
2. Из плотного картона сшивается цилиндр по высоте чуть меньше высоты и диаметра медного цилиндра. К картонному цилиндру пришивается дно, все швы (но не сам стакан) герметизируются парафином. На цилиндр наматывается несколько слоев газетной бумаги, вымоченной в растворе поваренной соли. Для лучшей механической прочности полученную конструкцию можно обшить любой тканью. На верх стакана приклеивается или пришивается картонное кольцо, чтобы он не проваливался в банку. В кольце делается 2 отверстия. Одно для заливки воды в область между банкой и стаканом, второе – для ручки мешалки (о ее назначении – ниже). Перед использованием диафрагму нужно испытать, налив в нее раствор поваренной соли и оставив на несколько часов. Стакан не должен подтекать, а его наружная поверхность должна быть лишь слегка влажной.
3. Из тонкой цинковой жести изготавливается цилиндр высотой и диаметром чуть меньше стакана-диафрагмы. Это анод – отрицательный вывод гальванического элемента. На нем, как и на медном, необходимо предусмотреть ушки, за которые он будет подвешиваться на кольцо диафрагмы.

Вместо медного цилиндра можно использовать медный провод без изоляции и лака. Просто обматываете им стакан-диафрагму, предварительно вставив в нее оправку для жесткости, и качественный электрод готов.

Сборка

В банку насыпаем столовую ложку медного купороса, устанавливаем на место медный цилиндр. Опускаем в него мешалку. Устанавливаем внутрь медного цилиндра стакан-диафрагму, наполняем его раствором поваренной соли. В отверстие кольца диафрагмы осторожно наливаем воду. Опускаем в диафрагму цинковый цилиндр, и элемент готов. Осталось поработать мешалкой, чтобы часть купороса растворилась, подключить при помощи зажимов провода – положительный – к медному электроду, отрицательный – к цинковому.

Обслуживание элемента заключается в периодической смене электролита, промывке электродов и добавлении купороса по мере его расходования. Мешалка понадобится, если отдаваемый ток существенно упадет. Слегка взболтали медный купорос на дне, и все снова в порядке.

Электроды должны как можно ближе располагаться друг к другу – это уменьшит внутреннее сопротивление элемента, а значит, и отдаваемый им ток.

Для питания чего-нибудь существенного напряжения не хватит, но что мешает собрать батарею из нескольких таких элементов?

В этой конструкции катод выполнен обычным медным проводом со снятой изоляцией

А теперь пара вопросов.

Первый.
Вы наверняка заметили, что в характеристиках не указана ЭДС элемента. Предлагаем определить этот параметр самостоятельно. Заодно для практики составить его схему. Вы же знаете химические формулы поваренной соли (хлорид натрия) и медного купороса (сульфат меди)?

Второй.
Реально ли заменить цинк алюминием или свинцом и к каким последствиям это приведет?

Вот и все, что хотелось рассказать о гальванических элементах. Теперь вы знаете, какими они бывают, как работают, и даже можете собрать собственный источник энергии для неэлектрифицированной дачи. На приемник, светодиодный фонарь и зарядку мобильника этой энергии хватит на все лето.

Спасибо, помогло! 1

Из чего состоит и как работает солнечная батарея

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Как пользоваться ареометром для аккумулятора

Блок питания что это такое и какими они бывают

Все про ИБП (источник бесперебойного питания): зачем нужен и как работает

Гальванический элемент

Гальванический элемент – это химический источник тока, в котором энергия, выделяющаяся при протекании на электродах окислительно-восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Принцип работы гальванического элемента можно рассмотреть на примере элемента Даниэля – Якоби (рис 9.2).

Рис. 9.2. Схема гальванического элемента Даниэля – Якоби

Здесь I – стакан, содержащий раствор ZnSO₄ в воде с погруженной в него цинковой пластинкой; II – стакан, содержащий раствор CuSO₄ в воде с погруженной в него медной пластинкой; III – солевой мостик (электролитический ключ), который обеспечивает перемещение катионов и анионов между растворами; IV – вольтметр (нужен для измерения ЭДС, но в состав гальванического элемента не входит).

Стандартный электродный потенциал цинкового электрода . Стандартный электродный потенциал медного электрода . Так как , то атомы цинка будут окисляться:

Zn – 2? = Zn 2+ .

(а)

Электрод, на котором идет реакция окисления или который посылает катионы в электролит, называется анодом. У рассматриваемого гальванического элемента в роли анода выступает цинковый электрод. Так как стандартный электродный потенциал цинка ниже, чем у меди, цинковому электроду приписывается условный заряд «–», а медному – «+».

Электроны, освободившиеся в результате окисления, по внешней цепи переходят на медь (возникает электрический ток).

На медном электроде происходит процесс восстановления катионов электролита Cu 2+ :

Cu 2+ +2? = Cu.

(б)

Электрод, на котором идет реакция восстановления или которыйпринимает катионы из электролита, называется катодом.

Через электролитический ключ происходит движение ионов в растворе: анионов SO₄ 2– к аноду, катионов Zn 2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Реакции (а) и (б) называются электродными реакциями.

Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

(в)

или, с учетом анионов раствора:

Zn + CuSO4= ZnSO4+ Cu.

(г)

В общем случае, суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в произвольном гальваническом элементе, можно представить в виде:

MeА + MeК n+ Á MeА n+ + MeК,

(д)

где индексы А и К относятся к металлам анода и катода соответственно.

Реакции (в) – (д) называются токообразующими реакциями.

Символическая запись (схема) гальванического элемента имеет вид:

Часто вместо растворов обозначают только катионы, содержащиеся в растворе:

Схема гальванического элемента Даниэля – Якоби имеет вид:

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е. Она вычисляется по формуле;

Е = φк – φа,

(9.4)

где φ_к и φ_а – электродные потенциалы катода и анода соответственно.

Величина ЭДС элемента Даниэля – Якоби при стандартных условиях равна:

Электродвижущая сила Е характеризует способность гальванического элемента совершать электрическую работу во внешней цепи.

Электрическая работа определяется максимальной полезной работой, совершаемой химической реакцией, которая равна изменению изобарно-изотермического потенциала? G процесса. Связь между величиной? G и ЭДС описывается уравнением:

? G = – nFE,

(9.5)

где n – число электронов в элементарном окислительно-восстановительном акте, F – число Фарадея.

Величина изменения изобарно-изотермического потенциала токообразующей реакции при стандартных условиях? G 0 связана с константой равновесия этой реакции К _равн соотношением

Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, взаимнообратны.

Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в растворы своих солей разной концентрации, называются концентрационными. Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:

Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция: Mg + ZnSO₄ = MgSO₄ + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на этих электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: